CN101394104B - Usb充电电路 - Google Patents

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CN101394104B CN2007103016887A CN200710301688A CN101394104B CN 101394104 B CN101394104 B CN 101394104B CN 2007103016887 A CN2007103016887 A CN 2007103016887A CN 200710301688 A CN200710301688 A CN 200710301688A CN 101394104 B CN101394104 B CN 101394104B
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Abstract

一种USB充电电路包含有一转换器、一控制电路、一第一电阻、一第二电阻、一误差放大电路、一感测电阻以及一二极管。该转换器包含有一开关。该控制电路耦接于该开关，用来产生一驱动讯号至该开关。该第一电阻耦接于该转换器之一输出节点与一第一节点之间。该第二电阻耦接于该第一节点与一第二节点之间。该误差放大电路耦接接收一该第一电阻及该第二电阻产生之分压，用来与一参考电压比较。该感测电阻耦接于该第二节点与接地之间。该二极管耦接于该转换器之该输出节点与该第一节点之间。

Description

USB充电电路
技术领域
本发明系相关于一种升降压转换器，尤指一种箝制输出电压之USB充电电路。
背景技术
目前利用usb插槽的充电设备，其充电技术皆是采用线性调压器。线性调压器可提供稳定的输出电压，而且电路架构简单，成本较低。不过，线性调压器也有缺点，只能用在降低输出电压，输出入电压间的电源转换效率差。且，压差部份的能量都会转成热能消散，增加散热量。若，热能消散不易，散热不良就会提升温度，进而让电子系统运作不稳。及充电电流受限于输入设备(USB插槽本身)，因此充电时间长之问题。
发明内容
本发明之主要目的之一在于揭露一种可箝制输出电压的USB充电电路，以改善先前技术中效率差，又有散热不良问题，充电时间长的缺点。
本发明系提供一种USB充电电路，包含有：
一转换器，包含有一晶体管；
一控制电路，耦接于该晶体管，用来产生一驱动讯号至该晶体管；
一第一电阻，耦接于该转换器之一输出节点与一第一节点之间；
一第二电阻，耦接于该第一节点与一第二节点之间；
一误差放大电路，耦接接收一该第一电阻及该第二电阻产生之分压，用来与一参考电压比较；
一感测电阻，耦接于该第二节点与接地之间；以及
一二极管，耦接于该转换器之该输出节点与该第一节点之间。
于一实施例中，该转换器系为一单端初级电感转换器(singleended primary inductor converter，Sepic)。
于一实施例中，该转换器系为一降压式转换器(Buckconverter)。
于一实施例中，该二极管系为一稽纳二极管(zener diode)。
于一实施例中，该晶体管系为一NMOS晶体管。
本发明之主要目的之一在于揭露另一种可箝制输出电压的USB充电电路，以改善先前技术中效率差，又有散热不良问题，充电时间长的缺点。
本发明系提供另一种USB充电电路，包含有：
一转换器，包含有一第一晶体管；
一控制电路，耦接于该第一晶体管，用来产生一驱动讯号至该第一晶体管；
一第一电阻，耦接于该转换器之一输出节点与一第一节点之间；
一第二电阻，耦接于该第一节点与一第二节点之间；
一误差放大电路，耦接接收一该第一电阻及该第二电阻产生之分压，用来与一参考电压比较；
一感测电阻，耦接于该第二节点与一第三节点之间；
一截止电阻，耦接于该第三节点与接地之间；
一第一二极管，耦接于该转换器之该输出节点与该第一节点之间；
一第二二极管，耦接于该转换器之该输出节点与一第四节点之间；
一第三电阻，耦接于该第四节点与接地之间；以及
一第二晶体管，具有一耦接于该第四节点之闸极(gate)，一接地之源极(Source)，以及一耦接于该第三节点之汲极(Drain)。
于一实施例中，该转换器系为一单端初级电感转换器(singleended primary inductor converter，Sepic)。
于一实施例中，该转换器系为一降压式转换器(Buckconverter)。
于一实施例中，该第一二极管系为一稽纳二极管(zener diode)。
于一实施例中，该第二二极管系为一稽纳二极管(zener diode)。
于一实施例中，该第一晶体管系为一NMOS晶体管。
于一实施例中，该第二晶体管系为一NMOS晶体管。
本发明之主要目的之一在于揭露再一种可箝制输出电压的USB充电电路，以改善先前技术中效率差，又有散热不良问题，充电时间长的缺点。
本发明系提供再一种USB充电电路，包含有：
一转换器，包含有一第一晶体管；
一控制电路，耦接于该第一晶体管，用来产生一驱动讯号至该第一晶体管；
一第一电阻，耦接于该转换器之一输出节点与一第一节点之间；
一第二电阻，耦接于该第一节点与一第二节点之间；
一第二晶体管，具有一耦接于一第四节点之闸极(gate)，一耦接于一第三节点之源极(Source)，以及一耦接于该第二节点之汲极(Drain)；
一误差放大电路，耦接接收一该第一电阻及该第二电阻产生之分压，用来与一参考电压比较；
一感测电阻，耦接于该第三节点与接地之间；
一第五电阻，耦接于该第一节点与接地之间；
一第一二极管，耦接于该转换器之该输出节点与该第一节点之间；
一第二二极管，耦接于该转换器之该输出节点与一第四节点之间；以及
一第四电阻，耦接于该第四节点与该第三节点之间。
于一实施例中，该转换器系为一单端初级电感转换器(singleended primary inductor converter，Sepic)。
于一实施例中，该转换器系为一降压式转换器(Buckconverter)。
于一实施例中，该第一二极管系为一稽纳二极管(zener diode)。
于一实施例中，该第二二极管系为一稽纳二极管(zener diode)。
于一实施例中，该第一晶体管系为一NMOS晶体管。
于一实施例中，该第二晶体管系为一NMOS晶体管。
附图说明
第1图为根据本发明之一第一实施例中一USB充电电路之示意图。
第2图为根据本发明之一第一实施例中USB充电电路一应用之示意图。
第3图为根据本发明之一第一实施例中USB充电电路另一应用之示意图。
第4图为根据本发明之一第一实施例之Vout vs.Iout示意图。
第5图为根据本发明之一第二实施例中一USB充电电路之示意图。
第6图为根据本发明之一第二实施例中USB充电电路一应用之示意图。
第7图为根据本发明之一第二实施例中USB充电电路另一应用之示意图。
第8图为根据本发明之一第二实施例之Vout vs.Iout示意图。
USB充电电路之示意图。
第9图为根据本发明之一第三实施例中一USB充电电路之示意图。
第10图为根据本发明之一第三实施例中USB充电电路一应用之示意图。
第11图为根据本发明之一第三实施例中USB充电电路另一应用之示意图。
第12图为根据本发明之一第三实施例之Vout vs.Iout示意图。
具体实施方式
请参考第1图，第1图为根据本发明之一第一实施例中一USB充电电路之示意图。USB充电电路包含一转换器、一控制芯片3、一第一电阻R1、一第二电阻R2、一感测电阻Rs以及一二极管D2。转换器包含一第一电感L1、一第二电感L2、一第一电容C1、一第二电容C2、一二极管D1以及一晶体管30。
转换器系可为一Sepic转换器(single ended primary inductorconverter，Sepic)，或一降压式转换器(Buck converter)。二极管D2系可为一稽纳二极管(zener diode)。晶体管30系可为一NMOS晶体管。
晶体管30组设于控制芯片3内。控制芯片3供给切换及输出电压调整。控制芯片3包含一误差放大电路60以及一控制电路90。晶体管30耦接于控制电路90，用来做为一开关。控制电路90产生脉宽调变(pulse width modulated)驱动讯号至晶体管30。
第一电阻R1耦接于Sepic转换器之一输出节点N0与一第一节点N1之间。第二电阻R2耦接于第一节点N1与一第二节点N2之间。误差放大电路60耦接接收一第一电阻R1及第二电阻R2产生之分压，用来与一参考电压Vref比较。感测电阻Rs耦接于第二节点N2与接地之间。稽纳二极管D2耦接于转换器之输出节点N0与第一节点N1之间。
第一电感L1耦接于一输入电压Vin与晶体管30之间。请参考第2图，第2图为根据本发明之一第一实施例中USB充电电路一应用之示意图。当晶体管30导通，电流I1流经第一电感L1与晶体管30，电流I2自第一电容C1流经第二电感L2与晶体管30。第一电感L1与第二电感L2被充电。
请参考第3图，第3图为根据本发明之一第一实施例中USB充电电路另一应用之示意图。当晶体管30截止，第一电感L1放电到第一电容C1与第二电容C2。同样，第二电感L2放电到第二电容C2。储存于第一电感L1与第二电感L2之电能释放，于负载10产生节点电压Vo。输出电压Vout为Vo-Iout*Rs。
误差放大电路60比较参考电压Vref与第一电阻R1及第二电阻R2产生之输出电压Vout分压。输出电压Vout为(Vref-Iout*Rs)*(1+R1/R2)。稽纳二极管D2用来限制输出电压Vout在一不高于参考电压Vref及稽纳崩溃电压(breakdown voltage)总和之最高电压。
请参考第4图，第4图为根据本发明之一第一实施例之Vout vs.Iout示意图。电流Iout为零时，输出电压Vout等于节点电压Vo。随着电流Iout的增加，输出电压Vout自转折点开始，以线性方式往下降，斜率为-Rs*(1+R1/R2)。
请参考第5图，第5图为根据本发明之一第二实施例中一USB充电电路之示意图。USB充电电路包含一转换器、一控制芯片3、一第一电阻R1、一第二电阻R2、一第三电阻R3、一感测电阻Rs、一截止电阻ROFF、一第二晶体管40、一第一二极管D2以及一第二二极管D3。转换器包含一第一电感L1、一第二电感L2、一第一电容C1、一第二电容C2、一二极管D1以及一第一晶体管30。
转换器系可为一Sepic转换器(single ended primary inductorconverter，Sepic)，或一降压式转换器(Buck converter)。第一二极管D2、第二二极管D3系可为稽纳二极管(zener diode)。第一晶体管30、第二晶体管40系可为NMOS晶体管。
第一晶体管30组设于控制芯片3内。控制芯片3供给切换及输出电压调整。控制芯片3包含一误差放大电路60以及一控制电路90。第一晶体管30耦接于控制电路90，用来做为一开关。控制电路90产生脉宽调变(pulse width modulated)驱动讯号至第一晶体管30。电流Iout流经负载10至节点A(第二节点N2)。
第一电阻R1耦接于Sepic转换器之一输出节点N0与一第一节点N1之间。第二电阻R2耦接于第一节点N1与一第二节点N2之间。感测电阻Rs耦接于第二节点N2与一第三节点N3之间。截止电阻ROFF耦接于第三节点N3与接地之间。误差放大电路60耦接接收第一电阻R1及第二电阻R2产生之分压，用来与一参考电压Vref比较。第一稽纳二极管D2耦接于转换器之输出节点N0与第一节点N1之间。第二稽纳二极管D3耦接于该转换器之该输出节点N0与一第四节点N4之间。第三电阻R3耦接于该第四节点N4与接地之间。第二晶体管40具有一耦接于该第四节点之闸极(gate)、一接地之源极(Source)以及一耦接于该第三节点之汲极(Drain)。
第二稽纳二极管D3用来限制输出电压Vout之驱动能力。当节点电压Vo小于其稽纳崩溃电压(breakdown voltage)与第二晶体管40临界(Threshold)电压之总和，驱动电流将大大降低。当输出电压Vout大于第二稽纳二极管D3崩溃电压(breakdown voltage)与第二晶体管40临界(Threshold)电压之总和，第二稽纳二极管D3将导通，电流Idz3流经第二稽纳二极管D3以及第三电阻R3。第二晶体管40导通，截止电阻ROFF因而短路。请参考第2图及第3图，Sepic转换器之说明。
请参考第6图，第6图为根据本发明之一第二实施例中USB充电电路一应用之示意图。当节点电压Vo大于第二稽纳二极管D3崩溃电压，第二晶体管40短路截止电阻ROFF，电流Iout流经负载10以及感测电阻Rs。节点A之电压为Iout*Rs。输出电压Vout为(Vref-Iout*Rs)*(1+R1/R2)。
请参考第7图，第7图为根据本发明之一第二实施例中USB充电电路另一应用之示意图。当节点电压Vo小于第二稽纳二极管D3崩溃电压，第二晶体管40截止及开路，电流Iout流经负载10、感测电阻Rs以及截止电阻ROFF。节点A之电压为Iout*(Rs+ROFF)。输出电压Vout为(Vref-Iout*(Rs+ROFF))*(1+R1/R2)。
请参考第8图，第8图为根据本发明之一第二实施例之Vout vs.Iout示意图。电流Iout为零时，输出电压Vout等于输出节点N0电压Vo。输出电压Vout自转折点开始，以线性方式往下降，斜率为-Rs*(1+R1/R2)。当输出电压Vout低于(Vdz3+Vth40)-Iout*Rs，输出电压Vout下降之斜率为-(Rs+ROFF)*(1+R1/R2)。输出电压Vout趋近于零。
请参考第9图，第9图为根据本发明之一第三实施例中一USB充电电路之示意图。USB充电电路包含一转换器、一控制芯片3、一第一电阻R1、一第二电阻R2、一第二晶体管50、一感测电阻Rs、一第四电阻R4、一第五电阻RKP、一第一二极管D2以及一第二二极管D4。转换器包含一第一电感L1、一第二电感L2、一第一电容C1、一第二电容C2、一二极管D1以及一第一晶体管30。
转换器系可为一Sepic转换器(single ended primary inductorconverter，Sepic)，或一降压式转换器(Buck converter)。第一二极管D2、第二二极管D4系可为稽纳二极管(zener diode)。第一晶体管30、第二晶体管50系可为NMOS晶体管。
第一晶体管30组设于控制芯片3内。控制芯片3供给切换及输出电压调整。控制芯片3包含一误差放大电路60以及一控制电路90。第一晶体管30耦接于控制电路90，用来做为一开关。控制电路90产生脉宽调变(pulse width modulated)驱动讯号至第一晶体管30。电流Iout流经负载10至节点B(第三节点N3)。
第一电阻R1耦接于Sepic转换器之一输出节点N0与一第一节点N1之间。第二电阻R2耦接于第一节点N1与一第二节点N2之间。误差放大电路60耦接接收一第一电阻R1及第二电阻R2产生之分压，用来与一参考电压Vref比较。感测电阻Rs耦接于第三节点N3与接地之间。第一稽纳二极管D2耦接于转换器之输出节点N0与该第一节点N1之间。第二稽纳二极管D4耦接于转换器之输出节点N0与一第四节点N4之间。第二晶体管50具有一耦接于第四节点N4之闸极(gate)、一耦接于第三节点N3之源极(Source)，以及一耦接于第二节点N2之汲极(Drain)。第五电阻RKP，耦接于第一节点N1与接地之间。第四电阻R4，耦接于第四节点N4与第三节点N3之间。
第二稽纳二极管D4用来限制节点电压Vo。当输出电压Vout小于第二稽纳二极管D4崩溃电压与第二晶体管50临界(Threshold)电压之总和，节点电压Vo被箝制。当输出电压Vout大于第二稽纳二极管D4崩溃电压与第二晶体管50临界(Threshold)电压之总和，第二稽纳二极管D4将导通，电流Idz4流经第二稽纳二极管D4以及第四电阻R4。第二晶体管50导通，第五电阻RKP阻值太大，远超过(R2+Rs)，而断路。请参考第2图及第3图，Sepic转换器之说明。
请参考第10图，第10图为根据本发明之一第三实施例中USB充电电路一应用之示意图。当输出电压Vout大于第二稽纳二极管D4崩溃电压与第二晶体管50临界(Threshold)电压之总和，第二晶体管50导通，第五电阻RKP断路，电流Iout流经负载10以及感测电阻Rs。节点B之电压为Iout*Rs。输出电压Vout为(Vref-Iout*Rs)*(1+R1/R2)。
请参考第11图，第11图为根据本发明之一第三实施例中USB充电电路另一应用之示意图。当输出电压Vout小于第二稽纳二极管D4崩溃电压与第二晶体管50临界(Threshold)电压之总和，第二晶体管50截止及开路，电流Iout流经负载10、感测电阻Rs到地。节点B之电压为Iout*Rs。误差放大电路60比较参考电压Vref与第一电阻R1及第五电阻RKP产生之节点电压Vo分压。节点电压Vo箝制在Vref*(1+R1/RKP)。输出电压Vout为Vref*(1+R1/RKP)-Iout*Rs。
请参考第12图，第12图为根据本发明之一第三实施例之Vout vs.Iout示意图。电流Iout为零时，输出电压Vout等于输出节点N0电压Vo。输出电压Vout自转折点开始，以线性方式往下降，斜率为-Rs*(1+R1/R2)。当输出电压Vout低于Vdz4+Vth50，输出电压为Vref*(1+R1/RKP)-Iout*Rs。
由上可知，本发明提供数种可箝制输出电压的USB充电电路。透过本发明所揭露之USB充电电路，不仅可以限制输出电压Vout之驱动能力，降低驱动电流，而且可以应用的范围亦很广泛。
以上所述仅为本发明之较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做之均等变化与修饰，皆应属本发明之涵盖范围。
主要组件符号说明
VIN          输入电压
FB           回授讯号
GND          接地
Vref         参考电压
3            控制芯片
R1            第一电阻
R2            第二电阻
Rs            感测电阻
D2            稽纳二极管
L1            第一电感
L2            第二电感
C1            第一电容
C2            第二电容
D1            二极管
30            晶体管
60            误差放大电路
90            控制电路
N0            输出节点
N1            第一节点
N2            第二节点
Vo            节点电压
Vout          输出电压
Iout          输出电流
10            负载

Claims (19)

1.一种USB充电电路，包含有：
一转换器，包含有一开关；
一控制电路，耦接于该开关，用来产生一驱动讯号至该开关；
一第一电阻，耦接于该转换器之一输出节点与一第一节点之间；
一第二电阻，耦接于该第一节点与一第二节点之间；
一误差放大电路，耦接接收一该第一电阻及该第二电阻产生之分压，用来与一参考电压比较，该误差放大电路的输出连接至该控制电路；
一感测电阻，耦接于该第二节点与接地之间；以及
一二极管，耦接于该转换器之该输出节点与该第一节点之间。
2.如权利要求1所述之USB充电电路，其中该转换器系为一单端初级电感转换器(single ended primary inductor converter，Sepic)。
3.如权利要求1所述之USB充电电路，其中该转换器系为一降压式转换器(Buck converter)。
4.如权利要求1所述之USB充电电路，其中该二极管系为一稽纳二极管(zener diode)。
5.如权利要求1所述之USB充电电路，其中该开关系为一NMOS晶体管。
6.一种USB充电电路，包含有：
一转换器，包含有一第一晶体管；
一控制电路，耦接于该第一晶体管，用来产生一驱动讯号至该第一晶体管；
一第一电阻，耦接于该转换器之一输出节点与一第一节点之间；
一第二电阻，耦接于该第一节点与一第二节点之间；
一误差放大电路，耦接接收一该第一电阻及该第二电阻产生之分压，用来与一参考电压比较，该误差放大电路的输出连接至该控制电路；
一感测电阻，耦接于该第二节点与一第三节点之间；
一截止电阻，耦接于该第三节点与接地之间；
一第一二极管，耦接于该转换器之该输出节点与该第一节点之间；
一第二二极管，耦接于该转换器之该输出节点与一第四节点之间；
一第三电阻，耦接于该第四节点与接地之间；以及
一第二晶体管，具有一耦接于该第四节点之闸极(gate)，一接地之源极(Source)，以及一耦接于该第三节点之汲极(Drain)。
7.如权利要求6所述之USB充电电路，其中该转换器系为一单端初级电感转换器(single ended primary inductor converter，Sepic)。
8.如权利要求6所述之USB充电电路，其中该转换器系为一降压式转换器(Buck converter)。
9.如权利要求6所述之USB充电电路，其中该第一二极管系为一稽纳二极管(zener diode)。
10.如权利要求6所述之USB充电电路，其中该第二二极管系为一稽纳二极管(zener diode)。
11.如权利要求6所述之USB充电电路，其中该第一晶体管系为一NMOS晶体管。
12.如权利要求6所述之USB充电电路，其中该第二晶体管系为一NMOS晶体管。
13.一种USB充电电路，包含有：
一转换器，包含有一第一晶体管；
一控制电路，耦接于该第一晶体管，用来产生一驱动讯号至该第一晶体管；
一第一电阻，耦接于该转换器之一输出节点与一第一节点之间；
一第二电阻，耦接于该第一节点与一第二节点之间；
一第二晶体管，具有一耦接于一第四节点之闸极(gate)，一耦接于一第三节点之源极(Source)，以及一耦接于该第二节点之汲极(Drain)；
一误差放大电路，耦接接收一该第一电阻及该第二电阻产生之分压，用来与一参考电压比较，该误差放大电路的输出连接至该控制电路；
一感测电阻，耦接于该第三节点与接地之间；
一第五电阻，耦接于该第一节点与接地之间；
一第一二极管，耦接于该转换器之该输出节点与该第一节点之间；
一第二二极管，耦接于该转换器之该输出节点与一第四节点之间；以及
一第四电阻，耦接于该第四节点与该第三节点之间。
14.如权利要求13所述之USB充电电路，其中该转换器系为一单端初级电感转换器(single ended primary inductor converter，Sepic)。
15.如权利要求13所述之USB充电电路，其中该转换器系为一降压式转换器(Buck converter)。
16.如权利要求13所述之USB充电电路，其中该第一二极管系为一稽纳二极管(zener diode)。
17.如权利要求13所述之USB充电电路，其中该第二二极管系为一稽纳二极管(zener diode)。
18.如权利要求13所述之USB充电电路，其中该第一晶体管系为一NMOS晶体管。
19.如权利要求13所述之USB充电电路，其中该第二晶体管系为一NMOS晶体管。
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